CN110344116A - 一种蓝宝石晶体生长用加热器结构 - Google Patents
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Abstract
一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，包括加热棒，所述加热棒为圆锥形对称型结构，所述加热棒对称折弯成U型结构，若干个U型结构组合成鸟笼型加热器结构。本发明通过采用对称圆锥形加热棒，从加热棒的发热分布来看，中心直径9mm处的发热量最低，两端直径6mm的发热量最高。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于泡生法蓝宝石单晶炉内使用的加热器结构，具体应用于蓝宝石单晶生长的技术领域。
背景技术
蓝宝石(a-Al2O3，单晶)是一种简单配位型氧化物晶体，具有优良的光学、力学、热学、电学性能和化学稳定性，是一种综合性能优良的技术晶体。广泛应用于氮化镓、氧化锌、硅等半导体衬底材料、红外、高强度激光的窗口材料以及激光基质材料。
生长大尺寸蓝宝石晶体的技术主要有直拉法(cz)、热交换法(HEM)，温梯法(TGT)，泡生法(Kyropoulos)等。目前生长大尺寸蓝宝石主要使用泡生法，此种方法生长的晶体缺陷少、位错密度低。该方法通过加热器加热提供合适的温度，且生长前将籽晶牢牢固定于籽晶杆上，籽晶杆与热交换器中的工作流体直接接触，从而通过晶体、籽晶与热交换器之间形成一个热交换系统，在生长炉内形成上冷下热的温度梯度，促进蓝宝石单晶生长。现有的加热器主要存在以下缺点：1、大尺寸蓝宝石长晶的液面水平径向梯度偏小，坩埚壁面过冷结晶，造成长晶失败；2、传统加热器在长晶过程中，会导致底部中心温度过高，收尾困难；3、晶体收尾阶段，易造成坩埚底部中心温度过高，温度梯度小，长晶界面由微凸界面向凹界面转移，发生界面翻转，易形成倒扣碗状气泡，影响晶体品质，降低晶体利用率。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，通过本发明能够改进现有加热器的能量分布，从而提高晶体的品质和利用率。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，包括加热棒，其特征在于，所述加热棒为圆锥形对称型结构，所述加热棒对称折弯成U型结构，若干个U型结构组合成鸟笼型加热器结构。
作为上一步优选方案，所述圆锥形对称型结构的锥度为0.1～0.25。
作为上一步优选方案，所述圆锥形对称型结构的中间直径为9mm，两端直径为6mm。
作为上一步优选方案，所述加热棒上设置有两个折弯点。
（三）有益效果
本发明提供了一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，具备以下有益效果：
1、本发明通过采用对称圆锥形加热棒，从加热棒的发热分布来看，中心直径9mm处的发热量最低，两端直径6mm的发热量最高。
2、本发明由于特定的发热量分布，使用改进型的加热棒制成的鸟笼加热器，T3的温度降低，T2的温度升高，T4的温度较等直径的温度升高，最终形成的有益效果为：a)、液面水平径向梯度：ΔTLiquid=(T2-T1)/R增大；b)、坩埚底部径向温度梯度：ΔTCrucible=(T4-T3)/R增大；c)、晶体收尾阶段，由于加热器发热量降低，T3温度降低，长晶界面不翻转，有效抑制底部馒头气泡的形成；d)、坩埚竖直方向梯度：通过合理的锥度设计，ΔTH=(T4-T2)/H趋于合理，为良好的晶体生长提供保障。
3、通过此种改进型鸟笼加热器，使得坩埚内标注的T1、T2、T3、T4温度分布更加合理，更有利于大尺寸蓝宝石长晶，减小底部馒头气泡出现的可能性。
附图说明
图1为现有技术加热器俯视示意图；
图2为现有技术加热器侧视示意图；
图3为现有技术温度梯度分布示意图；
图4为本发明加热棒结构图；
图5为本发明U型结构结构图；
图6为本发明加热器与坩埚配合结构图。
1、加热棒，2、折弯点，3、U型结构，4、鸟笼型结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，在泡生法蓝宝石单晶生长中，单晶炉内的热场结构决定了晶体生长的热量、质量传输条件和晶体生长环境，对晶体质量至关重要。加热器作为蓝宝石热场体系结构中的基础部分，时刻影响着液面水平径向梯度、坩坩埚底部径向温度梯度、埚竖直方向温度梯度及长晶速率。传统的蓝宝石单晶炉加热器由多根U型钨棒组成，多组U型钨棒对称呈现鸟笼形状。由于长晶过程中需要形成下高上低的纵向温度梯度和边缘高中间低的径向温度梯度，传统钨棒加热器已经不能满足更大公斤级蓝宝石晶体生长环境的需求，主要表现为以下几个方面：1、液面水平径向梯度：ΔTLiquid=(T2-T1)/R随着坩埚直径R的增大而变小；2、坩埚底部径向温度梯度：ΔTCrucible=(T4-T3)/R同样因坩埚直径的增大而变小，晶体收尾较困难；3、晶体收尾阶段，由于坩埚底部中心导热差，T3温度过高，长晶界面由微凸界面向凹界面转移，边缘长速过快，易形成倒扣碗状气泡；4、坩埚竖直方向梯度：ΔTH=(T4-T2)/H随着坩埚高度的增加趋于不合理，主要表现在坩埚直径增加后，液面散热能力增强，T2的温度较低，造成ΔTLiquid偏小，而ΔTH相对过大；5、以上不合理的梯度问题，造成长晶失败。
实施例1：
如图2至图5所示，一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，包括加热棒1，，所述加热棒为圆锥形对称型结构，所述加热棒对称折弯成U型结构3，若干个U型结构组合成鸟笼型加热器结构4。
作为上一步优选方案，所述圆锥形对称型结构的锥度为0.1～0.25。
作为上一步优选方案，所述圆锥形对称型结构的中间直径为9mm，两端直径为6mm。
作为上一步优选方案，所述加热棒上设置有两个折弯点2。
通过上述结构能够达到：1）、增加液面水平径向梯度：ΔTLiquid=(T2-T1)/R；2）、增加坩埚底部径向温度梯度：ΔTCrucible=(T4-T3)/R，利于晶体首位；3）、晶体收尾阶段，由于此设计可以降低 T3的温度值，有效抑制长晶界面由微凸界面向凹界面转移，避免形成倒扣碗状气泡；4）、通过合理的锥度设计，坩埚竖直方向梯度：ΔTH=(T4-T2)/H 更加合理，利于大尺寸蓝宝晶体生长。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，包括加热棒，其特征在于，所述加热棒为圆锥形对称型结构，所述加热棒对称折弯成U型结构，若干个U型结构组合成鸟笼型加热器结构。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，其特征在于：所述圆锥形对称型结构的锥度为0.1～0.25。
3.根据权利要求2所述的一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，其特征在于：所述圆锥形对称型结构的中间直径为9mm，两端直径为6mm。
4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石晶体生长用加热器结构，其特征在于：所述加热棒上设置有两个折弯点。
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